Raivo Stern
Kvantmagnetismis saavad kokku kvantmehaanika ja magnetism. See teadusvaldkond uurib materjalide magnetilisi omadusi, mille tähtis osa on kvantefektid. Klassikalisest magnetismist arenenud distsipliin on võimaldanud kvantmehaanikat hõlmates avastada uusi magnetfaase ja ebaharilikke kvantolekuid. Mõnes mõttes on tegu „topeltkvantiseerimisega“, sest kvantfüüsikat appi võtmata ei õnnestu kuidagi lõpuni ära seletada ka klassikalist magnetismi. Hiljutised edusammud kvantmagnetismi vallas on tunduvalt parandanud meie arusaamist materjalide kummalistest omadustest, avades ukse uuenduslikele tehnoloogilistele rakendustele. Muu hulgas analüüsitakse kvantspinnide (peamiselt elektronspinnide, aga mingil tasandil ka aatomi tuumaspinnide) vastastikmõju eri materjalides. Spinni ja selle avaldumiste käsitlus ning klassikalise magnetismi ülevaade jääb siinsest artiklist välja. Spinnide vastastikused mõjutused ehk nende vastasmõjud võivad ilmneda ainulaadsetel viisidel, mida mõjutavad nii materjali struktuuriomadused kui kindlasti ka keskkonnategurid. Proovime siin näidata, kuidas need nn kvantkäitumised aitavad luua uusi võimalusi tehnoloogias ja teaduses.
Magnetilisi nähtusi on uuritud iidsetest aegadest, kuna looduslikke magneeditud materjale, nagu magnetiit (Fe3O4, ingl lodestone), osati tähele panna juba varakult. 19. sajandil lõid André-Marie Ampère ja James Clerk Maxwell klassikalised teooriad, kus on esitatud empiirilised makroskoopilised põhiseisukohad magnetnähtuste kohta. Ent kvantmehaanika areeniletulek 20. sajandi alguses muutis meie arusaama mikroskoopilisel tasandil. Kvantteooria tutvustas spinni mõistet: elektronide põhiomadust, mis annab ühe koostisosa materjali summaarsele magnetmomendile. Selle arengu kaudu töötati välja kvantmagnetism, mis keskendub spinnide käitumisele ja vastastikmõjudele eri materjalides. Valdkonnas on tehtud märkimisväärseid saavutusi, sealhulgas on avastatud nn kvant-Halli efekt ja kõrgtemperatuurne ülijuhtivus. Mõlemad on sügavalt seotud kvantmagnetiliste nähtustega. Need avastused on avardanud meie arusaama ning toonud esile kvantmagnetsüsteemide keerukuse ja rikkuse, ärgitades uurima veel keerulisemaid materjale ja nähtusi. Eelkõige ajendatuna kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse probleemi lahenduste otsingutest, on mitmesuguste magnetiliste korrastuste (nn spinnvedelikud, frustreeritud spinnkorrad, orbitaalne korrastumine jpt) uurimisest saanud tahke keha füüsika tähtis uurimisvaldkond.
Kvantmagnetismi põhimõtted
Kvantmagnetismi juhivad materjalis leiduvate kvantspinnide vahelised vastasmõjud, mis põhjustavad mitmesuguseid magnetilisi faase, nagu ferromagnetism, antiferromagnetism ja spinnvedelikud. Kvantpõimumine ja superpositsioon etendavad selles ülisuurt osa, hõlbustades niisuguseid nähtusi nagu kvanttunneleerumine ja spinnkoherents. Peamised teoreetilised mudelid, sealhulgas Isingi ja Heisenbergi mudelid, kirjeldavad neid spinn-interaktsioone ja aitavad ennustada magnetilist käitumist eri temperatuuridel ja välistingimustel (rakendatud rõhk või magnetväli).
Peale selle on kvantmagnetsüsteemide uurimisel üliolulised üha enam täiustatud meetodid, nagu neutronite hajumine, magnetresonants ja sünkotronkiirgus. Need võimaldavad teadlastel süveneda spinninteraktsiooni ja dünaamika mikroskoopilistesse üksikasjadesse, andes parema ülevaate kvantmagnetismi põhimehhanismidest. Keeruliste kvantmagnetnähtuste imiteerimisel on suur roll ka keerukate arvutusmudelite väljatöötamisel: need aitavad aru saada eksperimentide tegelikest tulemustest.
Kvantmaterjalide tuumamagnetresonants- ja terahertsspektroskoopia
Tuumamagnetresonantsspektroskoopia (TMR) on üks peamisi spektroskoopiavõtteid, millega nüüdisajal uuritakse kvantmagnetismi probleemide kõrval laialdaselt ka keemia, bioloogia ja füüsika omi. Selle meetodi tugevus seisneb ainulaadses võimes saada mitmekülgset informatsiooni uuritava aine lokaalse struktuuri ja dünaamika kohta mitteinvasiivselt ehk ainet ennast muutmata. Seega on TMR-eksperimentidest saadav info väärtuslik täiendus difraktsioonimeetoditega hangitud teadmistele uurimisobjekti struktuuri kaugkorrapära kohta. Eriti teaberikkad on TMR-mõõtmised ainetes, milles kaugkorrapära hoopiski puudub; ainetes, mille omadused määrab väike hulk lisandeid, või ainetes, mille omadused määratakse eeskätt lähikorra iseärasustega, nagu enamikus magnetilistes materjalides.
Hiljutised teraherts- ehk THz-spektroskoopia edusammud on kvantmagnetismi uurimist märkimisväärselt mõjutanud. Magnetilisi ja topoloogilisi materjale on uuritud THz-kiirguse abil, mis suudab tuvastada madala energiaga ergastusi. Nõnda on tehtud kindlaks uusi magnetilisi olekuid ja dünaamikat ning paranenud meie arusaam kvantmagnetilistest nähtustest mikroskoopilisel tasemel. THz-spektroskoopia võimaldab otseselt jälgida spinni ja laengu dünaamikat, pakkudes väärtuslikku teavet kvantmaterjalide vastastikmõjude ja sidemete kohta. Mõlema kirjeldatud spektroskoopialiigiga tegeletakse ka keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi (KBFI) keemilise füüsika laboris. THz-kiirguse abil on hõlpsam uurida ka ülikiireid magnetilisi protsesse, sh kvantmagnetsüsteemide mööduvaid käitumisviise ja mittetasakaalulisi olekuid. Need teadmised on üliolulised, et töötada välja ülikiireid spintroonikaseadmeid ja mõista magnetiliste lülituskiiruste põhipiiranguid. Seega aitavad THz-spektroskoopia edusammud teha nii alusuuringuid kui ka luua praktilisi rakendusi kvantmagnetismi valdkonnas.
Spintroonika ja kvantarvutid
Kvantmagnetism on tublisti kaasa aidanud spintroonika ja kvantarvutite arengule. Hiljutised uuringud on keskendunud spinnolekute manipuleerimisele, mille siht on salvestada ja töödelda teavet. Nõnda on võimalik arendada spinnipõhiseid kvantbitte (qubits). Need edusammud lubavad luua kiiremaid ja tõhusamaid andmetöötlustehnoloogiaid koos võimalike rakendustega krüptograafias ja keerukates simulatsioonides. Spintroonika kasutab elektronide spinn-vabadusastet, pakkudes mitmesuguseid eeliseid, nagu püsivus, kiire töö ja väike energiatarve. Integreerides spintroonikat kvantarvutusega, on loodud kvantspintroonika kontseptsioon, kus kvantarvutuste tegemiseks kasutatakse spinni olekuid. See hübriidne käsitlusviis ühendab mõlema valdkonna parimad omadused, loomaks tugevaid ja skaleeritavaid kvantarvutusvõtteid.
Magnetilised skürmionid
Magnetilised skürmionid (skyrmions), nanomõõtmelised spinnistruktuurid, on pälvinud suurt tähelepanu nende stabiilsuse ja andmete salvestamise potentsiaali tõttu. Hiljuti on uuritud skürmionide loomist ja manipuleerimist elektriväljade ja temperatuuri gradientide abil. Nende edusammude toel võib õnnestuda töötada välja suure tiheduse ja väikese võimsusega mäluseadmeid ning uudseid spintroonikarakendusi. Skürmionidel on topoloogiline kaitse: nad peavad vastu häiretele ja defektidele. Seetõttu on nad ideaalsed selleks, et usaldusväärselt andmeid salvestada. Võimalus juhtida skürmioni dünaamikat väliste stiimulite, näiteks elektriväljade kaudu, lubab andmetöötlusel toimida paindlikult ja energiasäästlikult. Teadlased uurivad ka skürmionide kasutamist neuromorfses andmetöötluses, kus nende ainulaadsete omaduste tõttu saab jäljendada neuronite ja sünapside käitumist. See võib anda võimaluse luua suurema tõhususe ja jõudlusega tehisnärvivõrke.
Kvantmagnetismi katsumused
Hoolimata arvukatest edusammudest on kvantmagnetismi valdkonnas endiselt palju lahendamata probleeme. Neist üks peamisi on materjalide kvantspinnide täpne juhtimine ja mõjutamine. Endiselt on keeruline saavutada sidusaid spinnolekuid ja neid hoida sellistel temperatuuridel ja tingimustel, mida saab tegelikkuses rakendada. Usaldusväärsete kvantseadmete väljatöötamiseks on äärmiselt tähtis mõista kvantteabe kadumist põhjustavaid dekoherentsiefekte ja osata neid leevendada. Teine suur proovikivi on kvantmagnetmaterjalide integreerimine praeguste tehnoloogiatega. Neid materjale kasutavate kvantseadmete valmistamist ja haaret tuleb märkimisväärselt parandada. Pealegi, teoreetilisi mudeleid ja arvutusmeetodeid, millega saaks täpselt kirjeldada keerulisi kvantmagnetsüsteeme, alles töötatakse välja. Probleeme on võimalik lahendada üksnes siis, kui jätkata erialadevahelist uurimistööd ja koostööd, mis ühendab füüsika, materjali- ja inseneriteaduse valdkonna teadmisi.
Tulevikuväljavaated ja järeldused
Kvantmagnetismi tulevik on paljutõotav, seda kinnitavad eksperimentaalsete ja teoreetiliste uuringute edusammud. Need edusammud sillutavad teed kvantandurite ja spintroonikaseadmete arengule. Sellele aitab tublisti kaasa sügavam arusaam kvantmagnetnähtustest. Kui kvantmagnetismi lõimitakse teiste kvanttehnoloogiaharudega, suudetakse anda panus valdkondadesse, mis ulatuvad andmetöötlusest materjali- ja isegi terviseteaduseni.
Kokku võttes: hiljutised kvantmagnetismi edusammud rõhutavad selle teadusvaldkonna dünaamilist olemust. Rakendades magnetiliste omaduste uurimisel kvantmehaanikat, avastavad teadlased uusi füüsikalisi nähtusi, mis võimaldavad luua uuenduslikke tehnoloogilisi lahendusi. Seades sihi teha tulevikus teoks kvantmagnetismi täielik potentsiaal, on otsustav tähtsus käsil olevatel erialadevahelistel uuringutel ja koostööl.
Raivo Stern (1963) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi (KBFI) juhtivteadur, KBFI keemilise füüsika labori juhataja, kelle teadustöö põhisuunad on magnetism, ülijuhtivus, tuumamagnetresonants ja tugevad magnetväljad.